CN111427343A - 一种智能导盲方法及智能轮椅 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种智能导盲方法及智能轮椅，包括定时同步采集数据的步骤；数据传输的步骤；进行运算判断的步骤；轮椅导航的步骤。该智能轮椅中的轮椅控制系统智能导盲系统，所述的智能导盲系统包括卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统，分别为卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统分配的存储器和对卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统输出的数据进行处理形成指导运动控制系统运动方向的指令的数据处理系统采用本发明的方法和智能轮椅，盲人可以驾驶智能轮椅自由活动，满足盲人出行的要求。

Description

一种智能导盲方法及智能轮椅

技术领域

本发明涉及自动驾驶领域，特别是一种智能导盲方法及具有自动行驶与远程人工驾驶功能的盲用智能轮椅。

背景技术

世界卫生组织在2010 年的一项统计表明，全世界有2.85亿以上的人视力先天或后天受到损害，其中有3900 万人完全失去视觉。根据同期的一项预测来看，若此情况没有得到有效抑制，2020 年，全世界的盲人总数将会增长到七千五百万人。而我国盲人的数量位于全球首位，占据全球失明人士总数的19%，并且盲人的数量以大约每年 5 万人的速度增长。人类与外界的信息交互通过视觉、听觉、嗅觉、触觉、味觉这5 种方式。其中 80%以上的信息交互是通过视觉进行。因此，视觉受损会给人类的日常生活带来极大的不便。而盲人出行的问题更是其中首要解决的问题。辅助盲人行进的方法一般有4种：人工照顾、盲道导引、导盲犬手杖探路。人工照顾盲人的出行情况在安全性上有很高的保障，但需要大量占用照料者的时间，这是一个无法解决的问题；至于盲道，目前在不少发达城市都能见到，然而盲道导引目前有几个严重的问题，一是盲道只存在于公共场所的部分地区，不能满足盲人从出发地到目的地的所有需求，二是盲道的建设还不规范，有的建筑设施会占用盲道，三是人们对盲道的认识不够普及，有不少普通行人占据盲道的现象，因此盲道并不能解决盲人出行的问题；依靠手杖探路是目前盲人所使用的主要辅助行进方式，经过训练后的盲人可以使用手杖左右敲击地面来获取地面信息，但这会消耗使用者的大量体力，并且，手杖只能探测地面信息，对于上方的障碍物信息无法获取，同时，仅仅使用手杖的盲人，在空旷平坦的区域容易迷失方向，因此，手杖的使用也有很大的局限性；导盲犬是比较完善的传统盲人辅助手段，但由于导盲犬的使用需要经过长时间专业性的训练，导致其成本费用较高，一般来说，导盲犬在发达国家的应用比较广泛，在中国的使用仍然很少见。

综上所述，为了解决盲人日常生活中的种种问题，需要开发出一套能够帮助盲人方便安全出行的系统，从而保证盲人生活的方便与安全。随着科学技术的发展，不少电子导盲系统应运而生。超声波定位技术，图像特征识别技术，北斗定位导航技术，机器人障碍规避技术等等，都可应用于辅助盲人行进的产品当中。随着5G技术的推广与人工智能的日益成熟，设计具有多种功能的盲人辅助用具势在必行，本专利设计了一种服务于残疾人士的智能轮椅系统控制器，系统的推出对盲人生活质量的提高有着重要的意义。

可了中国专利公开文献号CN 105405288 B公开了智能导盲系统，能引导视力残障人士( 盲人)寻找公交车站，并能正确乘车，到达其目的地。该智能导盲系统包括通过无线网络进行通信连接的电子公交站、车载装置、管理服务器和导盲移动终端，其中，电子公交站被安装在公交车辆行驶的道路或者停车场上或者附近；车载装置被安装在公交车辆上；管理服务器被设置在公交站指控中心；导盲移动终端由用户持有。该智能导盲系统虽然能引导视力残障人士(盲人)寻找公交车站，并能正确乘车，到达其目的地。但是不能盲人自主行走，不能满足广大盲人朋友的需要。

发明内容

本发明是针对目前智能导盲系统不能满足广大盲人朋友的需要的不足，提供一种智能导盲方法及智能轮椅，是一种具有自动行驶与人工远程控制功能的盲用智能轮椅。

本发明为实现其技术目的所采用的技术方案是：一种智能导盲方法，包括如下步骤：

步骤1、定时同步采集数据的步骤；该步骤中，卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统同步采集数据，并将采集到的数据写入各自的RAM中，并且同步产生地址信号；

步骤2、数据传输的步骤；该步骤中，将采集到各RAM中的数据依次传送到后台的云计算中心；

步骤3、进行运算判断的步骤；该步骤中，云计算中心对采集到的信号进行智能运算，判断出轮椅周边的环境状况，发送轮椅运动指令；

步骤4、轮椅导航的步骤，该步骤中，轮椅中电机控制单元，根据“云计算中心”发送来的指令，决定电机“前进”、“后退”、“向左”还是“向右”。

采用本发明的方法，盲人可以驾驶智能轮椅自由活动，满足盲人出行的要求。

进一步的，上述的智能导盲方法：所述的定时同步采集数据的步骤中，50ms以内采集一次数据。

进一步的，上述的智能导盲方法：所述的卫星导航系统包括GPS系统和北斗导航系统。

本发明还提供智能轮椅实现上述智能导盲方法，该智能轮椅包括轮椅本体和轮椅控制系统，所述的轮椅控制系统包括具有电机控制电路在内的运动控制系统；所述的轮椅控制系统中还包括智能导盲系统，所述的智能导盲系统包括卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统，分别为卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统分配的存储器和对卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统输出的数据进行处理形成指导运动控制系统运动方向的指令的数据处理系统。

进一步的，上智能导盲方法的智能轮椅：所述的智能导盲系统中还包括定时触发卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统同步采集数据并将采集到的数据写入各自的存储器中的数据采集系统。

进一步的，上智能导盲方法的智能轮椅：所述的数据处理系统设置在后台的云计算中心，在所述的轮椅控制系统还包括与后台云计算中心通信的无线通信装置，所述的无线通信装置定时将卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统分配的存储器中的数据上传到后台的云计算中心，并将云计算中心处理后产生的导盲指令传送至所述的运动控制系统。

进一步的，上智能导盲方法的智能轮椅：所述的无线通信装置为GPRS系统。

进一步的，上智能导盲方法的智能轮椅：所述的数据采集系统集中于一个FPGA内，在FPGA内所述的GPRS系统的GPRS接口模块定时发出“同步采集”信号与“写”控制信号，控制北斗导航系统、高清摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统开始同步采集数据，并将采集到的数据写入各自的存储器中，并且同步产生地址信号；同步采集过程完成后GPRS接口发出“信号传输”指令，并同时给出“数据选择器”的选择信号与“读写控制”的读信号依次将北斗导航系统、高清摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统各自的存储器中的数据传送到GPRS接口模块中，然后通过GPRS系统，将数据传输到后台的云计算中心。

进一步的，上智能导盲方法的智能轮椅：所述的卫星导航系统包括GPS和北斗导航系统。

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的说明。

附图说明

附图1是本发明实施结构框图。

附图2是本发明中读写RAM时序图。

具体实施方式

实施例1是一种适合于盲人出行的智能轮椅，盲人驾驶该智能轮椅可以自由出行，如图1所示：本实施例中的智能轮椅包括轮椅本体和轮椅控制系统，轮椅本体实际上是一种电动轮椅，本实施例中，在现有的电动轮椅上的轮椅控制系统中，增加智能导盲系统，原电动轮椅上的电机具有电机控制电路在内的运动控制系统，在智能导盲系统的指导下，运动控制系统带动电动轮椅行驶。

本实施例中智能导盲系统包括卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统，这里卫星导航系统包括目前流行的GPS导航系统和北斗导航系统等，它对盲人驾驶的电动轮椅当前位置进行定位，并确定电动轮椅向前的运动轨迹，摄像系统拍摄电动轮椅周围影响，通过对影响的识别可以帮助盲人了解环境，本实施例中，摄像系统可以包括根据需要安装在电动轮椅上各个方向的摄像机。语音识别系统是与盲人进行交流的主要根据，接受盲人的语言指令，并可将摄像系统中识别的周围环境状况告诉盲人。目前这样的语言识别系统有很多，本领域技术人员根据需要可以选择。激光雷达系统可以采用目前汽车上流行的激光雷达系统，它主要实现对障碍物进行识别。

本实施例中，分别为卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统分配的存储器和对卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统输出的数据进行处理形成指导运动控制系统运动方向的指令的数据处理系统。

本实施例中，智能导盲系统中还包括定时触发卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统同步采集数据并将采集到的数据写入各自的存储器中的数据采集系统。数据处理系统设置在后台的云计算中心，在轮椅控制系统还包括与后台云计算中心通信的无线通信装置，无线通信装置定时将卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统分配的存储器中的数据上传到后台的云计算中心，并将云计算中心处理后产生的导盲指令传送至所述的运动控制系统。本实施例中，根据实践情况，无线通信装置为GPRS系统。

本实施例中为帮助盲人“感知”周边环境情况以及完成轮椅的导航控制，需要将以上卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统等各单元数据进行深度融合，这就需要各单元同步采集数据，由于数据量大且需要同步采集高速传输，一般的控制器难以胜任。本实施例中提出一种基于FPGA的控制方法并设计了相应的程序。FPGA的工作过程为：首先，GPRS接口模块定时发出“同步采集”信号（1ms）与“写”控制信号，在这一同步信号的控制下，北斗导航系统、高清摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统开始同步采集数据，并将采集到的数据写入各自的RAM中，并且同步产生地址信号。同步采集过程完成后GPRS接口发出“信号传输”指令，并同时给出“数据选择器”的选择信号与“读写控制”的读信号，此时依次将RAM1-RAM4中的数据传送到“GPRS接口”中，然后通过“GPRS网络”，将数据传输到远方的“云计算中心”。“云计算中心”对采集到的信号进行智能运算，判断出轮椅周边的环境状况，然后通过语音将环境信息推送给盲人，同时控制轮椅到达指定地点，这一过程需要将判断的结果通过“GPRS网络”传送给FPGA系统。FPGA中也设计了电机控制单元，根据“云计算”单元发来的指令，决定电机“前进”、“后退”、“向左”还是“向右”。

本实施例中，数据采集系统集中于一个FPGA内，在FPGA内所述的GPRS系统的GPRS接口模块定时发出“同步采集”信号与“写”控制信号，控制北斗导航系统、高清摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统开始同步采集数据，并将采集到的数据写入各自的存储器中，并且同步产生地址信号；同步采集过程完成后GPRS接口发出“信号传输”指令，并同时给出“数据选择器”的选择信号与“读写控制”的读信号依次将北斗导航系统、高清摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统各自的存储器中的数据传送到GPRS接口模块中，然后通过GPRS系统，将数据传输到后台的云计算中心。

由于盲人的特殊性，“走丢”的现象随时发生，为解决这一问题，提出一种远程控制轮椅的功能，只要盲人发出求助信号，处在“远方”的家人便可以使用手机，借助轮椅上的摄像头，将轮椅开回家，这一功能的实现也集成在FPGA系统中。

通过北斗导航、机器视觉以及人工远程协助三个层次来帮助视力困难人群，可有效扩展视力困难人群的活动范围并提升其生活质量。

本实施例中，导盲过程包括如下步骤：

步骤1、定时同步采集数据的步骤；该步骤中，卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统同步采集数据，并将采集到的数据写入各自的RAM中，并且同步产生地址信号；

步骤2、数据传输的步骤；该步骤中，将采集到各RAM中的数据依次传送到后台的云计算中心；

步骤3、进行运算判断的步骤；该步骤中，云计算中心对采集到的信号进行智能运算，判断出轮椅周边的环境状况，发送轮椅运动指令；

步骤4、轮椅导航的步骤，该步骤中，轮椅中电机控制单元，根据“云计算中心”发送来的指令，决定电机“前进”、“后退”、“向左”还是“向右”。

具体的，本实施例中：该系统由轮椅、北斗导航、机器视觉以及语音人机交互等组成。基于FPGA的控制器完成激光雷达、机器视觉、照片、电子地图等数据的同步采集，并存储在各自的RAM中，然后通过并转串传输到基于5G的GPRS网络，远程云计算收到数据后进行运算，然后将结果返回到轮椅系统。如果盲人朋友发出求救信号，则系统进入远程人工控制模式，摄像头进入视频模式，将实时的场景通过5G网络传递到远方家人的手机上，家人通过手机控制轮椅回家。

系统还同时具有电机控制，语音人机交互，远近程控制，远程协助等功能，如图1所示。

1、轮椅由支架、电池、电机、摄像头、操作手柄、激光雷达等组成；所有硬件部分都安装在轮椅上，有效减低了人的负荷。

2、定位与导航由北斗卫星完成，卫星不仅提供定位精准定位信息还提供周边的详细信息，比如商场、加油站、饭店等，并能给出方位与距离，这个数据需要和北斗卫星中心定制；

3、场景识别功能由高清摄像头与图像处理模块组成，图像处理模块将照片、北斗导航提供的环境信息提供给以及激光雷达的同步信息上传到云端。

4、 人工辅助功能，如果乘用人外出遇到困难需要求助，只需通过语音说呼叫某某，则系统会直接自动连接某某的电话，这时接电话的人会通过手机APP的远程视频帮助乘用人。

5、人机接口，考虑视力残障人士的特殊需求，系统采用智能语音接口，轮椅系统与人的信息交流通过语音识别系统实现。

6、激光雷达，通过激光雷达实时扫描附近物体，帮助轮椅避开障碍物。

7、特定语句跟踪能力，乘用人通过语音呼叫可以将轮椅叫到身边，极大方便盲人及行动不便的人群。

本实施例的技术效果如下：

采用FPGA设计的控制器，达到同步采集多个数据，实时性好，速度快。

该发明采用轮椅的智能导航与无人驾驶，从而扩展了视力残障人士的活动范围。

采用机器视觉功能，使智力残障人士可以获得更多的信息，串门买菜逛街更加自如。

基于手机APP的远程视频功能可以获得家人的实时帮助，可以购物也不用担心走丢。

该系统也适用于行走不方便的人群。

本实施例中如图1所示：该系统由车体、北斗导航系统、激光雷达、电子地图、语音识别、远程辅助控制等组成。该系统的关键技术是场景识别，本系统的场景识别是将电子地图、摄像头系统以及激光雷达系统采集到的数据进行深度融合。本实施例中，电子地图可以存储在后台云计算中心，在后台云计算中心进行数据处理时使用。所以这些功能单元需要同步采集信号。RAM1-RAM4为数据缓冲器，然后将数据串行上传到云计算中心，RAM的读写时序如图2所示。手自动模块实现自动控制还是手动控制的切换。摄像头系统的功能由两个，一个是提供场景识别用的照相功能，另一个作用是提供家人远程控制的摄像功能。TTL文语模块实现指令的语言化，通过该模块，将指令以语言的形势提供给使用者。

本实施例中，FPGA内的设计采用Veirlog hdl 语言，用Modesim来仿真，最后下载到ALTERA芯片中，然后进行实际测试。通过仿真与试验得出，由FPGA设计的控制器，具有实时性好、速度快，管脚多的特点，较好地完成了设计任务。

Claims (9)

1.一种智能导盲方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1、定时同步采集数据的步骤；该步骤中，卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统同步采集数据，并将采集到的数据写入各自的RAM中，并且同步产生地址信号；

步骤2、数据传输的步骤；该步骤中，将采集到各RAM中的数据依次传送到后台的云计算中心；

步骤3、进行运算判断的步骤；该步骤中，云计算中心对采集到的信号进行智能运算，判断出轮椅周边的环境状况，发送轮椅运动指令；

步骤4、轮椅导航的步骤，该步骤中，轮椅中电机控制单元，根据“云计算中心”发送来的指令，决定电机“前进”、“后退”、“向左”还是“向右”。

2.根据权利要求1所述的智能导盲方法，其特征在于：所述的定时同步采集数据的步骤中，50ms以内采集一次数据。

3.根据权利要求1所述的智能导盲方法，其特征在于：所述的卫星导航系统包括GPS系统和北斗导航系统。

4.一种根据权利要求1所述的智能导盲方法的智能轮椅，包括轮椅本体和轮椅控制系统，所述的轮椅控制系统包括具有电机控制电路在内的运动控制系统；其特征在于：所述的轮椅控制系统中还包括智能导盲系统，所述的智能导盲系统包括卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统，分别为卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统分配的存储器和对卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统输出的数据进行处理形成指导运动控制系统运动方向的指令的数据处理系统。

5.根据权利要求4所述的智能导盲方法的智能轮椅， 其特征在于：所述的智能导盲系统中还包括定时触发卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统和激光雷达系统同步采集数据并将采集到的数据写入各自的存储器中的数据采集系统。

6.根据权利要求5所述的智能导盲方法的智能轮椅， 其特征在于：所述的数据处理系统设置在后台的云计算中心，在所述的轮椅控制系统还包括与后台云计算中心通信的无线通信装置，所述的无线通信装置定时将卫星导航系统、摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统分配的存储器中的数据上传到后台的云计算中心，并将云计算中心处理后产生的导盲指令传送至所述的运动控制系统。

7.根据权利要求6所述的智能导盲方法的智能轮椅， 其特征在于：所述的无线通信装置为GPRS系统。

8.根据权利要求7所述的智能导盲方法的智能轮椅， 其特征在于：所述的数据采集系统集中于一个FPGA内，在FPGA内所述的GPRS系统的GPRS接口模块定时发出“同步采集”信号与“写”控制信号，控制北斗导航系统、高清摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统开始同步采集数据，并将采集到的数据写入各自的存储器中，并且同步产生地址信号；同步采集过程完成后GPRS接口发出“信号传输”指令，并同时给出“数据选择器”的选择信号与“读写控制”的读信号依次将北斗导航系统、高清摄像系统、语音识别系统以及激光雷达系统各自的存储器中的数据传送到GPRS接口模块中，然后通过GPRS系统，将数据传输到后台的云计算中心。

9.根据权利要求4或5或6或7或8所述的智能导盲方法的智能轮椅， 其特征在于：所述的卫星导航系统包括GPS和北斗导航系统。

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